基于位姿狀態的機器魚水中角力策略

賈靜雯 陳 鑒 夏慶鋒 秦晨芝 黃瑞琛

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基于位姿狀態的機器魚水中角力策略

賈靜雯 陳 鑒 夏慶鋒 秦晨芝 黃瑞琛

為了使機器魚在水中角力項目中取得時間上的優勢，對機器魚水中角力策略進行改進。姿態調整可使機器魚對漂浮物保持最佳的施力方向，區域劃分可減少機器魚尋點的時間，這兩點在策略中的應用可以有效地縮短機器魚在游動過程中調整姿態的時間，通過理論分析和實驗得到根據位姿尋點的進攻策略為最佳。應用此策略我隊在2015年各級比賽中取得優異成績。

隨著人類的發展，對資源的需求不斷增加，陸上資源的日益緊缺，于是人類把目光投向海洋。21世紀是海洋開發的世紀，水下機器人在海洋環境研究、海洋資源探測、海洋軍事等方面具有廣闊的應用前景和巨大的潛在價值，吸引了人們更多的注意力。水下機器人競賽是首個由中國人自己提出的競賽項目，涉及的領域十分廣泛，包括機械電子學、機器人學、傳感器信息融合、智能控制、通訊、計算機視覺、計算機圖形學、人工智能等，促進了研究和教育的結合，激發青年學生的強烈興趣的同時，也培養了青年學生嚴謹的科學研究態度和良好的技能。

水中角力項目不同于以往的競速項目，它還要考慮實時性、機器魚水中受力、機器魚進攻方向等方面。它是水中機器人比賽中一個非常考驗選手策略編寫能力和實際操作能力的項目。關于它的策略實現有很多種，例如設置單一球門，直接頂漂浮物某一點，撞擊漂浮物等，但是這些策略忽略了水波阻力，對方機器魚的干擾以及機器魚在水中產生的撞擊力不足以產生較大位移等方面。通過比較測試，筆者找出了一種相對高效的基于位姿狀態的機器魚水中角力策略，利用區域劃分和姿態調整來減少機器魚因受水波阻力以及對方機器魚的干擾造成較大程度地偏轉從而難以保持最佳的施力狀態的情況。

全局視覺組水中角力項目簡介

參賽隊各派一條機器魚參加比賽。以水池兩個長邊池壁的中點連線為分界線，將水池劃分為左區和右區兩個區域，每個區域尺寸均為 1.5 m×2 m。比賽開始時，裁判員將漂浮物放入水中，要求其圓心與水池中心重合并保持靜止，同時將比賽雙方的機器魚如圖1所示位姿靜止放入漂浮物的內部。比賽開始后，A魚將漂浮物頂向左區，B魚頂向右區。

若在 1 分鐘內，A隊機器魚率先將漂浮物完全頂入左區，則 A隊獲勝，比賽結束；反之若 B隊機器魚率先將漂浮物完全頂入右區，則 B隊獲勝，比賽結束。若上述兩種情況均未出現，則比較 1 min達到時刻雙方占有漂浮物的面積，面積較大一方獲勝，比賽結束。若此時雙方面積相等，比賽將直接進入加時賽，直至兩方占有漂浮物的面積不等時為止，面積較大的一方獲勝，比賽結束。

基于位姿狀態的機器魚水中角力策略

當ball_point.y

姿態調整法

rAim［0］.x =fishheader_point.x + 200；

于是要想實現該策略，有三個狀態必須要知道：1）魚頭坐標fishheader_point；2）魚中心坐標fishcenter_point；3）漂浮物的中心位置ball_point。

RX2=XOriginalEX + XThresholdEX，

求出魚頭到魚中心的距離L1以及其y坐標的差值L2，利用三角函數求得魚身與x軸的實際夾角?r ，公式如下：

關于系統工程素養問題，我只想開個頭，這個問題很大、很復雜，需要深入的研究，對系統工程人才培養、系統工程研究和實踐以及系統工程活動提供一些參考。

圖1　全局視覺水中角力

圖2　直接頂點法

假設進攻方向為由左至右，當?r >?時，進攻點為（ fishcenter_point.x + XT1，fishcenter_point.y） ，XT1取略大于L1的值；當?r <=?時，進攻點為（ball_point.x +XT2，ball_point.y），XT2取略大于漂浮物半徑的值。

區域定點法

所謂區域定點法，指的是考慮漂浮物的直徑將水池均分為三個區域，然后機器魚根據漂浮物中心點的位置在相應的區域內進攻對應的球門（球門實際并不存在，而是筆者設置的靜態環境），以減少機器魚尋點的時間，如圖4所示。

圖3　魚身偏移?

圖4　區域定點

要想實現該策略，有四個狀態必須要知道：1） 漂浮物的中心位置ball_point；2）球門1坐標channel［0］. center；3） 球門2坐標channel.center；4） 球門3坐標channel.center。

“打糍粑嘍！”我高興極了。家里陸陸續續來了許多大人。這個時候，廚房里飄來陣陣糯米清香。我跑進廚房一看，大灶臺里正蒸著糯米，奶奶在不斷地往灶膛里添柴火。過了一會兒，只聽爺爺喊：“米好啦！米好啦！”于是，叔叔伯伯們便走進廚房，用竹匾（）裝好蒸熟的糯米，放入石磨里。大人們“嘿喲、嘿喲”地忙活了好一陣子，糯米都被磨成了米糊。媽媽將米糊倒入那個“大石碗”中，一旁的爸爸和幾位伯伯，都舉起了手中的大木槌，“啪”的一聲，再一聲，你一槌、他一槌，把糯米捶出一個大窟窿。才一會兒，大人們頭上都布滿了細密的汗珠。

假設機器魚進攻方向為由左至右，則

所謂的位姿狀態，主要指機器魚在水池中所處的位置及其姿態。根據力學知識可知，要使漂浮物的受力達到最大，魚頭和魚中心的連線應與過漂浮物中心點且與水池y軸垂直的直線重合，即當要求機器魚由左至右進攻時頂球位置應在AB連線上，如圖2所示。但是由于受水波以及對方魚的干擾，我方機器魚幾乎不可能保持對漂浮物的最佳施力方向。于是筆者依據機器魚的位姿狀態進行策略改善。

rAim.y =ball_point.y；

當ball_point.y>Y2時，進攻方向為channel.center。

“還記得橡樹灣動物園的管理員爺爺嗎？”園長爺爺說，“他是我學生時代的朋友。去年他打電話給我，說有一個小男孩也許會聯系我，詢問一頭小象的事。他說，‘他是一個很孤獨的小男孩，小象安琪兒是他唯一的朋友。我不想告訴他，那頭小象在周末患急癥離世了，這會讓他非常傷心。所以——’”

基于位姿狀態的機器魚水中角力策略

為了使機器魚的進攻效果更好、效率更高，筆者從漂浮物的大小以及機器魚游動的位置考慮大致將水池分為15個區域（橫向先劃分3個區域，縱向再劃分5個區域）以減少機器魚進攻位置不佳浪費時間的情況，并且考慮機器魚的姿態即魚身與x軸的偏離程度從而幫助機器魚在游動過程中找尋最佳的進攻位置以減少機器魚調整姿態的時間，基于這兩點筆者提出了一種基于位姿狀態的機器魚水中角力策略，以下將詳細說明該方法。

實現該策略，有四個狀態必須要知道：1）魚頭坐標fishheader_point；2）魚中心坐標fishcenter_ point；3）漂浮物的中心位置ball_point；4）魚的方向 fish.GetDirection即為了獲取魚身與x軸的夾角?。此外，還需要定義三個常量：1）水池中心x的坐標值XOriginalEX 375（需實際確認）；2）閾值一XThreshold 150；3） 閾值二：XThresholdEX 260。注：兩個閾值根據水池大小實際設定。

假設進攻方向為從左至右，首先根據魚頭y坐標、漂浮物中心的y坐標以及漂浮物直徑大小將環內區域劃分為三部分也相當于將場地橫向劃分為三區域如圖5，分別為

I區：ball_point.y - 60< fishheader_point.y < ball_point.y + 60，

II區：fishheader_point.y < ball_point.y - 60，

III區：fishheader_point.y > ball_point.y + 60；

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然后再根據魚頭x坐標繼續縱向劃分5個區域如圖5所示，劃分點為：

LX1=XOriginalEX - Xthreshold，

LX2=XOriginalEX - XThresholdEX，

RX1=XOriginalEX + XThreshold，

rAim.x =fishheader_point.x + 200；

我一邊想著、一邊獨自漫步在羅馬街頭，兩邊的霓虹燈總是在以出乎人意料的節奏閃爍，汽車一輛接著一輛，各種音樂的喇叭在高歌、啼叫、冷笑、哀嗚。車燈閃爍而過，映得行人的臉龐陰晴不定，似滑稽劇中的角色。羅馬的歌劇總是以熱鬧著稱，每個角色都有自己的任務。街上的行人就似歌劇中的角色，匆匆趕赴自己的夜生活。羅馬是一個以夜生活為目的的城市，每個人都有自己的夜生活。

造成學生作業質量差的因素是多種多樣的，要想使學生改變現狀，我們可以采取客觀評價與鼓勵上進相結合的策略。當學生通過努力，在作業的某方面有所進步時，就可以適當抬高評價等級，對他們進行鼓勵，使其體會到戰勝困難取得成功的快樂。這種策略，對中下的學生非常實用。

大致將水池的x軸以比例3：3：8：3：3進行劃分。

高職院校的學生營養素攝入少、三餐不合理、進食快、活動量少、經常熬夜，從而造成營養不良、肥胖發生率較高。調查發現，由于學生的營養知識的匱乏與營養意識的淡薄，普遍存在著膳食結構不合理的現象；并且高職院校學生大多數不注意奶制品的攝入，這與他們從小的生活習慣和飲食習慣有關[4]。

同時根據魚的方向選取合適的進攻點。筆者根據魚頭y坐標所屬區域定義了一類進攻點，定義如下：

CPoint rAim；

查閱文獻[1-3]可知，塑料打包帶(繩)的成分主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

所謂姿態調整法，指的是當魚身偏離水平位置即魚頭和魚中心的連線與x軸夾角大于某一臨界角?（?根據實際情況選取最佳值）時，先使魚身盡量與x軸平行以保持最佳施力方向使漂浮物產生最大位移，如圖3所示。

rAim［0］.y = fishheader_point.y + 120；

rAim.x =ball_point.x+ 340 ；

當ball_point.y∈［Y1，Y2］時， 進 攻 方 向 為channel.center；

傳染病專科醫院收治對象主要為各類肝病和艾滋病患者，這類人群大部分免疫力低下，極易發生醫院感染[1]，且因病種的特殊，醫院病原菌譜和耐藥性也與綜合性醫院有差異[2，3]。為了解三級傳染病醫院病原菌分布及耐藥性的特點，更好的控制醫院感染及合理使用抗菌藥物，我們對醫院2012年1月-2016年12月臨床分離的病原菌進行了分析，現報告如下。

此外,本次研究中發現經治療后,患者治療第8周與第12周PANSS評分顯著降低(P<0.05);與此同時,相對治療前,治療后患者在各項TESS評分上均無顯著差異(P>0.05)。

rAim.y = fishheader_point.y - 120；

又根據魚的偏轉方向定義了一類進攻點，定義如下：

“引江換水”實現了外秦淮河水體流動，有效改善了外秦淮河水質及城區水環境。由于秦淮河是流域行洪河道，河面漂浮物及沿河居民的生活垃圾隨水流源源不斷聚積到武定門節制閘上游，造成武定門節制閘上游閘區水面臟亂不堪，嚴重影響引江調水水質和周邊水環境。節制閘上游河道較多的水草漂浮物長期以來打撈工作量很大。2013年年底江蘇省秦淮河管理處采購打撈船一艘，打撈效率成倍提高，基本能夠滿足河道打撈需要。應繼續做好這項工作。

CPoint rFishForward；

在個體在進行自我表露的過程中，也就是真誠地與他人分享自我的想法與感覺時，他們往往會表現得更加專注。[19]在同步溝通情境下，由于信息溝通是及時和快節奏的，溝通雙方都被要求給出即時的反饋，這也就要求用戶更加集中注意力并快速做出回應。在這種表露自我個人見解和反思其他用戶的答復的過程中，個體往往會表現出更長時間地集中注意力，也就更有利于他們達到心流體驗的狀態。[10]而在異步溝通模式中，由于溝通主體之間的交流頻率較低[8]，個體自我表露的程度較低，則很難保持高度專注力，因而心流體驗產生的可能性也較低。因此本研究提出如下假設：

rFishForward.x =fishcenter_point.x + 60；rFishForward.y = fishcenter_point.y；

部分代碼實現流程如圖6（注x為魚頭x坐標）。

基于位姿狀態的機器魚水中角力策略優點

在比賽中，筆者觀察到某些學校的策略是設置單一的頂球點，例如只設置一個球門或是直接頂漂浮物的某一點，該方式比較適合漂浮物位移較小的情況，但是比賽時由于水波阻力以及雙方魚的影響漂浮物很容易移動。還有些是采取撞擊的方式，但是事實上機器魚在水中撞擊的沖力并不大，反而在準備撞擊的過程中由于機器魚沒有在頂點脫離了漂浮物使得對方機器魚贏得先機。

筆者考慮到機器魚易受水波的阻力以及對方機器魚的干擾造成較大程度地偏轉從而難以保持最佳的施力狀態，因此提出了一種基于位姿狀態的機器魚水中角力策略。該策略充分利用了水池的區域，也同時考慮了機器魚偏轉的角度，筆者根據機器魚偏轉角度的不同以及所處區域的不同設置了不同的進攻點以減少機器魚進攻位置不佳浪費時間的情況，同時使機器魚在游動過程中找尋最佳的進攻位置以減少機器魚調整姿態的時間，從而達到更好的進攻效果、更高的進攻效率。

該策略基于區域劃分和姿態調整，與之前只基于其中一點的策略有較大改善。與區域定點法相比，該策略劃分區域更加細致，不僅僅是在縱向上有劃分，橫向上也有劃分，將水池區域充分利用，從而更能減少機器魚因尋點而造成延誤進攻的時間。與姿態調整法相比，該策略因對區域劃分特別細致，因而對進攻點的選取也有所不同。該策略不需要先調整姿態以保證施力方向最佳而是在游向進攻點的時候調整姿態即可以掌握更多的進攻時間。

位于巴黎蒙馬特的Lesage刺繡坊，經過跨越世紀的甄選積淀，迄今已擁有超過60噸的收藏，流蘇、水鉆、飾帶、珍珠、幻彩水晶以及精致寶石都在其中，當中包括自19世紀70年代保存至今的閃光水晶、20世紀的蛋面切割寶石、萊茵石、琉璃珠等。客戶包括：Givenchy、Christian Dior、Scherrer、Calvin Klein、Oscar de la Renta、Christian Lacroix、Yves Saint Lauren 等。

圖5　區域劃分

基于位姿狀態的機器魚水中角力策略顯示

基于文中所提出的方法，筆者做了大量實驗進行驗證，實驗現象如圖7所示。

從圖中可以看出機器魚在游動過程中確實很容易受水波以及對方魚的干擾而造成較大程度偏轉，用基于位姿狀態的方法確實可以幫助機器魚調整姿態并且根據機器魚所屬區域找到最佳頂點位置。

圖7　頂點位置顯示

結束語

筆者通過區域劃分和姿態調整有效地減小了水波阻力以及對方機器魚干擾的影響，該策略在南京大學金陵學院參加的多次比賽中已得到成功應用，并在2015年各級比賽中取得優異成績，證明了該策略的有效性。

賈靜雯 陳 鑒 夏慶鋒 秦晨芝 黃瑞琛

南京大學金陵學院機器人實驗室

賈靜雯，1994，女（漢族），籍貫 江蘇徐州，本科在讀，通信工程專業。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.003

（1）2015江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃，“競賽機器人關鍵技術研究”，項目編號：201513646009Y；（2）2015江蘇省高校自然科學研究面上項目，“面向搜索的未知環境下多機器人感知與路徑規劃方法研究”，項目編號：15KJB510013；（3）南京大學金陵學院2014年教學改革與研究立項項目，“機器人創新設計實訓”，項目編號：0010521508